MỤC LỤC CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Công nghệ Sensor Network 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.2 Tổng quan kỹ thuật WSNs 1.2.1 Các thành phần mạng cảm biến không dây 1.2.2 Quá trình phát triển mạng cảm biến 10 1.2.3 Các cách thức trở ngại 11 CHƢƠNG II 12 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12 2.1 Vấn ề lƣợng mạng ảm iến không dây 12 2.2 Các giải pháp khắc phục vấn ề lƣợng mạng cảm biến không dây 12 2.2.1 Giải pháp phần cứng 12 2.2.2 Giải pháp phần mềm 13 CHƢƠNG III 18 BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC VẤN ĐỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG ENERY HAVESTING 18 3.1 Sơ lƣợc Energy Harvesting 18 3.1.1 Các dạng Energy Havesting chủ yếu: 18 3.1.2 Các thiết bị Energy Harvesting 21 3.1.3 Các thành phần hệ thống Energy Havesting: 24 3.2 Áp dụng Energy Harvesting vào mạng cảm biến không dây Arduino Z1 25 3.2.1 Mục ích sử dụng Energy Harvesting 25 3.2.2 Kit thí nghiệm CBC-EVAL-09 26 3.2.3 Phần mềm kiểm tra lƣợng CBC-EVAL-09 30 3.2.4 Testbed sử dụng CBC-EVAL-09 cấp nguồn cho modul Z1 32 2.3.5 Testbed sử dụng SEH-01 Texas Instruments 33 KẾT LUẬN 36 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây thơng thƣờng Hình 1.2 Các thành phần node cảm biến Hình 1.3 Giao thức chung cho mạng cảm biến Hình 2.1 Mạng cảm biến khơng dây thiết kế theo mạng 14 Hình 2.2 Thời gian bật tắt thu phát vô tuyến 14 Hình 2.3 Mạng cảm biến không dây thiết kế theo dạng lƣới 15 Hình 2.4 Cơ chế quản lý lƣợng không ồng 16 Hình 2.5 Cơ chế quản lý ồng 17 Hình 3.1 Remote TV không pin Phillip 19 Hình 3.2 Hệ thống chuyển ổi lƣợng mặt trời sang iện 21 Hình 3.3 Tấm nhiệt iện TEGs 22 Hình 3.4 Cấu trúc bên TEGs 22 Hình 3.5 Cung cấp iện thơng qua thu thập nhiệt từ nƣớc nóng .22 Hình 3.6 Microturbine 23 Hình 3.7 Tấm áp iện 23 Hình 3.8 Hệ thống sử dụng lƣợng thu thập từ RF 24 Hình 3.9 Hệ thống Energy Harvesting ang ƣợc phát triển dành cho WSNs 24 Hình 3.10 Sơ khối energy havesting dành cho mạng cảm biến khơng dây 25 Hình 3.11 Kit CBC-EVAL-09 26 Hình 3.12 Sơ khối CBC-EVAL-09 26 Hình 3.13 Trở kháng Energy Harvesting (RT) trở kháng hệ thống (RL) 28 Hình 3.14 CBC-915 hỗ trợ iều chỉnh trở kháng hệ thống .28 Hình 3.15 IC CBC050 29 Hình 3.16 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 chƣa có ánh sáng 30 Hình 3.17 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 bắt ầu hoạt ộng 31 Hình 3.18 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 chạy ổn ịnh 31 Hình 3.19 Điện áp Vout Vbat dạng bar 32 Hình 3.20 Modul eZ430-2500 Texas Instruments 33 Hình 3.21 eZ430-2500T thơng thƣờng 33 Hình 3.22 SEH-01 cung cấp iện ni eZ430-2500T 34 Hình 3.23 Test SEH-01 với eZ430-2500 35 LỜI NĨI ĐẦU Năng lƣợng có khắp nơi mơi trƣờng xung quanh - có sẵn hình thứ lƣợng nhiệt, lƣợng ánh sáng (mặt trời), lƣợng gió lƣợng họ Tu nhi n, h ng t hỉ lợi ụng ƣợ số số ể tạo thành nguồn lƣợng iện ể sử ụng Năng lƣợng mặt trời, lƣợng gi ), nhƣng lại ần ến sở hạ tầng phứ tạp Số n lại th hƣ thể cung cấp lƣợng ầ ủ cho mụ í h khả thi Trong thực tế, ho ến gần â , ạng lƣợng tự nhi n nà ƣợ nắm ể thự ông việ h u í h với u ầu hệ thống sở hạ tầng ơn giản Đ hính việ thu thập lƣợng tự nhi n ể ung ấp ho mạng ảm iến không ây Thông qua việc tham gian nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây dự án VLIR, em thực ề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị cung cấp lƣợng cho mạng cảm biến khơng dây” với mụ í h t m hiểu giải pháp tiết kiệm lƣợng cho mạng cảm biến không â ũng nhƣ p ụng modul thu thập lƣợng tự nhi n ể biến ổi thành iện ung ấp cho nút cảm biến Từ thể xây dựng hoàn chỉnh nút cảm biến chạ ộc lập mà khơng cần tới nguồn ni ngồi Em xin chân thành cảm ơn n hủ nhiệm dự án nghiên cứu khoa học VLIR gi o vi n hƣớng dẫn Phạm Quốc Thịnh tạo iều kiện gi p ỡ em hoàn thành thực tập tốt nghiệp Q trình nghiên cứu hồn thành ề tài thực tập gặp nhiều kh khăn thiếu sót Em mong thầ ng g p gi p em hồn thiện ề tài tốt CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến (sensor network) cấu trúc, kết hợp khả cảm biến, xử lý thông tin thành phần liên lạc ể tạo khả qu n s t, phân tí h phản ứng lại với kiện tƣợng xả r môi trƣờng cụ thể Mơi trƣờng giới vật lý, hệ thống sinh học Các ứng dụng ản mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập d liệu, giám sát, theo dõi, ứng dụng y học Tuy nhiên ứng dụng mạng cảm biến tùy theo u cầu sử dụng ạng khơng bị giới hạn Có thành phần ản cấu tạo nên mạng cảm biến:  Các cảm biến ƣợc phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rải  Mạng lƣới liên kết gi a cảm biến (có dây hay vơ tuyến)  Điểm trung tâm tập hợp d liệu (Clustering)  Bộ phận xử lý d liệu trung tâm Một node cảm biến ƣợ ịnh nghĩ kết hợp cảm biến phận xử lý, hay gọi mote Mạng cảm biến không dây (WSN) mạng cảm biến kết nối gi a node cảm biến sóng vô tuyến 1.1.1 Công nghệ Sensor Network Trong mạng sensor network, cảm biến ƣợc xem nhƣ phần quan trọng phục vụ cho ứng dụng Công nghệ cảm biến iều khiển bao gồm cảm biến trƣờng iện từ; cảm biến tần số vô tuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; cảm biến ịnh vị, dẫn ƣờng; o ạc thông số môi trƣờng; cảm biến phục vụ ứng dụng n ninh, sinh h Ngày nay, cảm biến ƣợc sử dụng với số lƣợng lớn Mạng WSNs ặ iểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp lƣợng nguồn (chủ yếu pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ iểm- iểm, số lƣợng lớn node cảm biến Do ặc tính mạng WSNs i ộng trƣớ â hủ yếu phục vụ cho ứng dụng quân n n i hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, ứng dụng WSNs mở rộng cho ứng dụng thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo tạo n n tính thƣơng mại cao cho WSNs Các nghiên cứu gần â ph t triển thông tin công suất thấp vối node xử lý giá thành thấp có khả tự phân bố xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải toán quan trọng mạng WSNs khả ung ấp lƣợng cho node bị giới hạn Các mơ hình khơng dây, có mạch tiêu thụ lƣợng thấp ƣợc ƣu ti n ph t triển Hiệu sử dụng công suất WSNs tổng quát dựa tiêu chí:  Chu kỳ hoạt ộng ngắn  Xử lý d liệu nội node ể giảm chiều dài d liệu, thời gian truyền  Mơ hình mạng multihop làm giảm chiều ài ƣờng truyền, qu giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất ho ƣờng truyền WSNs ƣợc phân làm loại, theo mơ hình kết nối nodes sử dụng: ịnh tuyến mà  Loại (C1WSNs):  Sử dụng giao thứ ịnh tuyến ộng  Các node t m ƣờng i tốt ến í h  Vai trò node sensor với node nhƣ trạm lặp (repeater)  Khoảng cách lớn (hàng ngàn mét)  Khả xử lý d liệu node chuyển tiếp  Mạng phức tạp  Loại 2(C2WSNs):  Mô h nh iểm- iểm h iểm- iểm, kết nối radio ến node trung tâm  Sử dụng gia thứ ịnh tuyến tĩnh  node không cung cấp thông tin cho node khác  Khoảng h vài trăm mét  Node chuyển tiếp khơng có khả xử lý d liệu cho node khác  Hệ thống tƣơng ối ơn giản Tiêu chuẩn tần số ng ƣợc áp dụng cho WSNs IEEE 802.15.4.Hoạt ộng tần số 2.4GHz công nghiệp, khoa học y học(ISM), cung cấp ƣờng truyền d liệu với tố ộ l n ến 250kbps khoảng h 30 ến 200 feet Zigbee/IEEE 802.15.4 ƣợc thiết kế ể bổ sung cho công nghệ khơng â nhƣ Bluetooth, Wifi, Ultrawideband (UWB), mụ í h phục vụ cho ứng dụng thƣơng mại Với r ời tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, hệ thống dần phát triển theo hƣớng tiêu chuẩn, cho phép cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền ƣợc tiêu chuẩn hóa Nhiều nghiên cứu lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs) WSNs tƣơng tự nhƣ MANETs theo vài ặ iểm Cả h i ều chuẩn mạng wireless, multihop Tuy nhiên, ứng dụng kỹ thuật gi a hai hệ thống có khác  Dạng thông thƣờng WSN nguồn d liệu truyền ến nơi nhận, khác hẳn iểm- iểm MANETs  Các node WSNs i ộng, ad hoc node i ộng  Trong WSNs, d liệu từ cảm biến chủ yếu từ tƣợng kiện giới thực Ở MANETs chủ yếu d liệu  Nguồn giới hạn, lƣợng WSNs ƣợc quản lý sử dụng chặt chẽ.Trong MANETs khơng bị ràng buộc nguồn cung cấp thiết bị thơng tin ƣợc thay nguồn cung cấp thƣờng xuyên ngƣời dùng  Số lƣợng node WSNs lớn, MANETs Do khác biệt gi a mô hình giao thức mà giao thứ ịnh tuyến MANETs khơng thể áp dụng hồn tồn cho WSNs Tuy nhiên WSNs oi nhƣ phần MANETs (ad hoc) 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây  Quân sự: Theo dõi mục tiêu, chiến trƣờng, ngu công nguyên tử, sinh h  Mơi trƣờng: Giám sát cháy rừng, th ổi khí hậu, o, lũ lụt  Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân bệnh viện, quản lý thuố , iều khiển từ x  Gi nh: Ngôi nhà thông minh, iều khiển thiết bị iện, hệ thống sƣởi ấm,  Thƣơng mại: Điều khiển môi trƣờng công nghiệp văn ph ng, giám sát xe cộ, gi o thông 1.2 Tổng quan kỹ thuật WSNs Nhƣ ề cập phần trên, vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý node nguồn trung tâm, số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi xử lý trƣớc node Thay gởi i liệu ến node chuyển tiếp, node thƣờng dùng khả xử lý củ m nh ể giải trƣớ ph t i Với dạng có cấu trúc, d liệu ƣợc xử lý ến mức tốt nhờ làm giảm ƣợ lƣợng cần ùng ăng thông k nh truyền Một vài kỹ thuật tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến nhƣ s u:  Cảm biến: - Chứ ản - Xử lý tín hiệu - Nén gia thức phát hiện, sửa lỗi - Phân chia Cluster - Tự phân nhóm  Kỹ thuật truyền vơ tuyến: - Dãy truyền sóng - Sự hƣ hại ƣờng truyền - Kỹ thuật iều chế - Giao thức mạng  Tiêu chuẩn: - IEEE 802.11a/b/g - IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth - IEEE 802.15.3 Ultrawideband (UWB) - IEEE 802.15.4/Zigbee - IEEE 802.16 Wimax - IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group) - Mobile IP  Phần mềm ứng dụng: - Hệ iều hành Phần mềm mạng Phần mềm kết nối sở d liệu trực tiếp Phần mềm middleware Phần mềm quản lý d liệu 1.2.1 Các thành phần mạng cảm biến không dây Các thành phần ản thiết kế trọng tâm mạng WSNs cần ƣợ ặt ng cảnh mô hình WSNs dạng C1WSNs) ƣợc giới thiệu phần trƣớc Bởi v â mô h nh với số lƣợng lớn cảm biến mạng, hƣỡi d liệu nhiều, d liệu khơng thật hồn hảo, khả hu hỏng node o, ũng nhƣ khả ị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp,xử lý, thiếu thông tin node mạng Do vậy, C1WSNs tổng qu t so với mơ hình C2WSNs.Sự phát triển mạng cảm biến dựa cải tiến cảm biến, thông tin, tính tốn (giải thuật tr o ổi d liệu, phần cứng phần mềm) Một vài ặ iểm mạng cảm biến:  Các node phân bố ặc  Các node dễ bị hƣ hỏng  Giao thức mạng th ổi thƣờng xuyên  Node bị giới hạn cơng suất, khả tính to n, ộ nhớ  Các node khơng ƣợ ồng tồn hệ thống số lƣợng lớn node End device Rounter Sink node Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây thông thường Các thành phần cấu tạo nên node mạng cảm biến nhƣ tr n h nh 2:  Một cảm biến (có thể hay dãy cảm biến) ơn vị thực thi (nếu có)  Đơn vị xử lý  Đơn vị liên lạc vô tuyến  Nguồn cung cấp  Các phần ứng dụng khác Hình 1.2 Các thành phần node cảm biến Software (Operating Systems and Middleware) Để cung cấp hoạt ộng cho node, phần quan trọng hệ iều hành nguồn mở ƣợc thiết kế ặc biệt cho WSNs Thông thƣờng, hệ iều hành nhƣ dùng kiến trúc dựa thành phần ể thiết lập cách nhanh chóng kí h thƣớc code nhỏ phù hợp với nhớ có giới hạn sensor networks TinyOS ví dụ dạng nà , â chuẩn khơng thức Thành phần TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối node, drivers cho cảm biến ứng dụng Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS mô ể phát triển kiểm tra giao thức giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu ng ố gắng kết hợp m ể xây dựng tiêu chuẩn cho dịch vụ mạng tƣơng thí h Standards for Transport Protocols Mụ í h thiết kế WSNs ể phát triển giải pháp mạng khơng dây dựa tiêu chuẩn hao phí thấp nhất, p ứng yêu cầu nhƣ tố ộ d liệu thấp-trung bình, tiêu thụ cơng suất thấp, ảm bảo ộ bảo mật tin cậy cho hệ thống Vị trí node cảm biến hầu nhƣ khơng x ịnh trƣớ , nghĩ gi o thức giải thuật mạng phải có khả tự xây dựng Các nhà nghiên cứu ph t triển nhiều giao thức ặc biệt cho WSNs, vấn ề ăn ản lƣợng tiêu thụ phải thấp ến mức Chủ yếu tập trung vào giao thứ ịnh tuyến, v ịnh tuyến có khác so với mạng truyền thống (phụ thuộc vào ứng dụng kiến trúc mạng) Hình 3.8 Hệ thống sử dụng lượng thu thập từ RF * Các hệ thống Energy Harvesting thực tế phát triển dành cho mạng cảm biến khơng dây Hình 3.9 Hệ thống Energy Harvesting phát triển dành cho WSNs Hiện có dạng lượng nghiên cứu phát triến để chuyển đổi thành điện cung cấp cho mạng cảm biến khơng dây lượng mặt trời, nhiệt năng, lượng sóng điện từ lượng rung động học 3.1.3 Các thành phần hệ thống Energy Havesting: Một hệ thống energy havesting thường đòi hỏi nguồn lượng nhiệt ccộ, ánh sáng, luồng khơng khí hay nước ba thành phần điện tử, bao gồm: - Một thiết bị chuyển ổi lượng yếu tố áp điện mà dịch lượng thành điện - Một mô- đun thu lượng, lưu trữ quản lý điện cho thiết bị Một ứng đầu cuối mạng ZigBee kích hoạt cảm biến khơng dây Tăng áp sát điều khiển thiết bịđiệngiám quản lý nạp pin Nguồn hệ thống Antena Năng lượng mặt trời RF MCU Năng lượng gió Bluetooth Năng lượng nhiệt Năng lượng điện từ Sensor Sensor Động Hình 3.10 Sơ đồ khối energy havesting dành cho mạng cảm biến không dây Như sơ đồ khối ta thấy với energy havesting, mạng cảm biến không dây chuyển từ “tiêu thụ lượng thấp” thành “Không tiêu thu lượng” với ý nghĩ khơng tiêu tốn lượng ngồi để nuôi hệ thống Trước đâ ,bằng cách nhà sản xuất chip xử lý hay sensor không ngừng nghiên cứu sản suất sản phẩm ngày tiêu thụ điện thấp Nhưng dù tiêu thụ thấp mức đến lúc nguồn điện cấp ngồi PIN cạn kiệt Và hệ thống bị gián đ oạn việc thay nguồn cấp ngồi vơ khó khăn tốn thiết bị đặt nơi địa hình hiểm trở (cảm biến sóng ngồi biển, cảm biến thời tiết núi) Vì việc energy havesting đời giải vấn đề lượng cho thiết bị cảm biến không dây lượng thấp 3.2 Áp dụng Energy Harvesting vào mạng cảm biến không dây Arduino Z1 3.2.1 Mụ í sử dụng Energy Harvesting Nhƣ h ng t iết nút cảm biến không â ƣợc thiết kế với mụ í h hính ể hoạt ộng thành mạng ộc lập ể thu thập, nh gi iều kiện môi trƣờng xung quanh nh ng nơi on ngƣời ặt chân tới Vì nút bị ngừng hoạt ộng nguồn nuôi bị cạn kiệt dẫn ến kh khăn khắc phụ làm gi n oạn hệ thống Với Energy Harvesting, thời gian hoạt ộng nút cảm biến ƣợc kéo dài có thiết kế hợp lý phần cứng phần mềm nút cảm biến hoạt ộng mãi 3.2.2 Kit thí nghiệm CBC-EVAL-09 Solar EnerChip CBC51100 Module EM/RF Demo Kit interface Power out Thermal Vibration Hình 3.11 Kit CBC-EVAL-09 CBC-EVAL-09 kit thí nghiệm ùng ể nh gi modul thu thập lƣợng nhƣ pin mặt trời, modul chuyển ổi RF, chuyển ổi lƣợng gi , ộng s ng iện với chip xử lý lƣợng CBC915 với pin IC CBC51100 100µAh Mụ í h kit thí nghiệm nà ùng ể nh gi ho phép nhà thiết kế nhanh chóng phát triển ứng dụng từ energy havesting Hình 3.12 Sơ đồ khối CBC-EVAL-09 Mơ tả hoạ ộng hệ thống: CBC-EVAL-09 có khả kết hợp với energ h vesting nhƣ pin mặt trời, modul chuyển ổi RF, modul chuyển ổi lƣợng gió chuyển ổi nhiệt, ộng s ng iện, IC quản lý lƣợng CBC915 sử dụng thuật to n gi m s t lƣợng ỉnh tối ể tối ƣu h hiệu suất, có IC pin rắn ể lƣu tr lƣợng energy havesting khơng hoạt ộng P n í sơ khối CBC-EVAL-09: DC IN - Đầu vào iện áp chiều ƣới 4.06V Thông thƣờng pin mặt trời AC IN - Đầu vào iện áp xoay chiều ƣới 4.06V Ví dụ iện áp xoay chiều từ tua bin gió hoặ nƣớc HV DC IN - Đầu vào chiều iện cao từ 06V ến 20V Ví dụ iện áp chiều lấy từ pin mặt trời cỡ lớn từ máy nhiệt HV AC1 IN HV AC2 IN - Đầu vào xoay chiều iện o 06V ến 20V Ví dụ iện áp xoay chiều lấy từ cảm biến rung Bridge Rectifiers - Cầu chỉnh lƣu: Chu ển ổi iện áp xoay chiều chiều Boost Converter - Bộ tăng iện áp từ AC IN hay DC IN lên 4.06V Low Voltage Charge Pumps - Sử dụng ể nh thức IC CBC915 Flyback Down Converter - Hạ áp từ HV DC IN hay HV AC1 IN/HV AC2 IN xuống 4.06V Energy Processor - Chip CBC915 sử dụng thuật to n gi m s t lƣợng ỉnh ùng ể quản lý lƣợng thu thập từ energy havesting Transducer Input Voltage Select and Sense Switches - Giám sát hình tất iện p ầu vào kết nối với xử lý lƣợng Solid State EnerChip CBC51100 Pin Module - Hai pin EnerChip 50uAh trạng thái rắn CBC3150 CBC050) ể lƣu tr lƣợng ể sử dụng energy havesting không hoạt ộng Low Voltage Cut-off - Khi iện áp EnerChips giảm xuống ƣới 3.0VDC, mạch ngắt kết nối pin ể pin không xả thêm Energy Management Switching Matrix - Điều khiển việc cung cấp iện áp Vout cho tải ầu Serial I/O - Đâ bus kết nối xử lý lƣợng khác nhƣ vi iều khiển MSP430 thiết bị eZ430-RF2500 cắm vào kết nối J9 Các thành phần KIT CBC-EVAL-09 gồm: a CBC-915 CBC-915 chip xử lý lƣợng chuyên dụng hãng Cymbet CBC-915 quản lý nhiều dạng Energy Harvesting nhƣ nh s ng, rung ộng ơ, nhiệt ộ, RF hoạt ộng dựa thuật tốn giám cơng suất iểm tối cải tiến Thuật tốn giám sát cơng suấ ểm tố a (Maximum Peak Power Tracking Algorithms) sử dụng vi xử lý hệ thống iều khiển vòng kín, iện áp dòng iện liên tụ ƣợ theo õi ể x ịnh mức lƣợng tức thời Dựa mức cơng suất tính tốn, chiều rộng xung ầu tín hiệu iều chế ƣợc sử dụng ể liên tục iều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ chuyển ổi ể trích xuất iện tối Để ạt ƣợc công suất truyền tối từ Energy Harvesting, iều quan trọng trở kh ng ầu Energy Harvesting phải trở kh ng ầu vào hệ thống Vì vậy, Pmax RT = RL Hình 3.13 Trở kháng Energy Harvesting (RT) trở kháng hệ thống (RL) EP EnerChip CBC-915 chip xử lý lƣợng ể iều chỉnh trở kháng hệ thống phù hợp với trở kháng chuyển ổi ể chuyển ổi lƣợng tách riêng tải hệ thống từ mạch chuyển ổi lƣợng kiểm soát yếu tố lƣu tr lƣợng hệ thống Hình 3.14 CBC-915 hỗ trợ điều chỉnh trở kháng hệ thống Khi sử dụng CBC-915 trở kháng hệ thống ƣợ iều chỉnh trở kháng ầu Energy Harvesting nên công suất chuyển ổi ạt tối b IC pin CBC050 CBC050 pin 3,8V ung lƣợng 50µAh ƣợ ng gọi ƣới dạng IC ƣợc sử dụng cho:  Làm nguồn nuôi chế ộ ngủ: Nguồn nuôi SRAM, ồng hồ thời gian thực, iều khiển, giám sát nguồn, số thành phần hệ thống quan  Dành cho cảm biến không dây hay ứng dụng RFID với chu kỳ hoạt ộng thấp  Là nguồn dự phòng cho hệ thống th ổi pin  Sử dụng Energy Harvesting cách kết nối chúng với nguồn chuyển ổi nhƣ pin mặt trời, nhiệt i nn ể lƣu tr iện  Tích hợp vào modul hoặ ng g i với IC khác Hình 3.15 IC CBC050 C EnerChip ™ CBC050 ạng dán, trạng thái rắn, cung cấp iện với dung lƣợng 50μAh 3.8V Thông số nà lý tƣởng ể CBC050 trở thành nguồn on-board cho SRAMs, ồng hồ thời gian thự vi iều khiển yêu cầu iện dự ph ng ể gi lại thời gian d liệu N ũng thí h hợp cho thẻ RFID, cảm biến thông minh, ứng dụng từ xa yêu cầu nguồn iện nhỏ, chi phí thấp, yêu cầu nguồn ổn ịnh Đối với nhiều ứng dụng, CBC050 thay vƣợt trội so với pin ồng xu siêu tụ iện Do thiết kế trạng thái rắn, EnerChip ™ CBC050 thể chịu ƣợc nhiệt hàn cao ƣợc xử lý dây chuyền sản xuất số lƣợng lớn tƣơng tự nhƣ thiết bị bán dẫn thơng thƣờng CBC050 sạ nh nh h ng ơn giản cách kết nối trực tiếp vào nguồn 4.1V mà không cần hạn chế dòng Thời gian nạp 20 ph t ể pin ầy lên 80% ung lƣợng Và CBC050 xạc/xả hàng nghìn lần Trong Kit thí nghiệm CBC-EVAL-09 th CBC050 ƣợc quản lý sạc trực tiếp từ IC CBC-915 c IC pin CBC3150 IC pin CBC3150 pin rắn 3,8V 50µAh (giống CBC050) nhƣng ƣợc tích hợp sẵn quản lý sạc pin bên Về ản CBC3150 giống CBC050 nhƣng th v ƣợ iều khiển sạc từ CBC-915 nhƣ CBC050 th CBC3150 ƣợc sạc trực tiếp nguồn 4,06V từ Energy Harvesting 3.2.3 Phần mềm kiể a lƣợng CBC-EVAL-09 Phần mềm dựa iện áp Vbat ể nạp cho pin CBC050 CBC3150 Kit CBC-EVAL-09 iện áp Vout ổn ịnh pin ể hiển thị hoạt ộng Energ H rvesting ũng nhƣ Kit CBC-EVAL-09 Kịch hoạt ộng test CBC-EVAL-09 ƣợc gắn với pin mặt trời nhỏ, pin CBC-EVAL-09 xả hết iện ến ngƣỡng ut off) B n ầu o iện áp ầu Vout = 1V Điện áp V t iện áp th ổi liên tục từ 0V ến Vout Hình 3.16 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 chưa có ánh sáng Khi bắt ầu chiếu sáng vào pin mặt trời, iện áp Vbat tăng ột ngột lên xấp xỉ 4V Điều nà o lƣợng ánh sáng chuyển s ng iện nhờ pin mặt trời ƣợc mạch boost CBC-EVAL-09 tăng iện áp lên 4,06V Đồng thời pin CBC050 CBC3150 ƣợc nạp iện Sau khoảng thời gian nhỏ, iện áp Vbat Vout ổn inh với Vout iện áp pin xả cố ịnh 3,8V Vbat có dạng ƣ phẳng dần khoảng 4V - 4,2V Hình 3.17 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 bắt đầu hoạt động Hình 3.18 Điện áp Vbat Vout CBC-EVAL-09 chạy ổn định Hình 3.19 Điện áp Vout Vbat dạng bar 3.2.4 Testbed sử dụng CBC-EVAL-09 cấp nguồn cho modul Z1 Kịch test e ặt sử dụng CBC-EVAL-09 pin mặt trời ể cung cấp iện cho modul Zolertia Z1 với iện áp cung cấp cho Z1 3,6V Hiện thời hƣ thể sử dụng CBC-EVAL-09 cung cấp iện áp chi Z1 lý sau: - Dung lƣợng pin CBC050 CBC3150 thấp Điện ti u thụ nút cảm biến Z1 cao Sử dụng pin mặt trời làm nguồn Energy Harvesting dẫn ến nguồn cung cấp phụ thuộ vào ộ sáng củ môi trƣờng, ặc biệt vào n m th mạch CBC- EVAL09 hoàn toàn vô dụng Từ hạn chế n u tr n, u ầu ặt r cho nút cảm biến không dây bao gồm: - ể xử lý vấn ề tự cấp lƣợng Thiết kế mạch sử dụng hính iện p Energ H rvesting V t) ể sạc cho pin ung lƣợng o Sử dụng nguồn RF nguồn Energy Harvesting, không gian tồn s ng iện từ từ nguồn phát xung quanh Nút cảm biến Z1 hay Arduino cần thiết kế phần mềm tối ƣu ho việc sử dụng lƣợng hạn chế tổn hao khơng cần thiết q trình hoạt ộng 2.3.5 Testbed sử dụng SEH-01 Texas Instruments SEH-01 kit Energy Harvesting chuyển ổi lƣợng ánh sáng mặt trời thành iện Cymbet SEH-01 ƣợc sử dụng ể cấp nguồn cho modul eZ430- RF2500T Texas Instruments Hình 3.20 Modul eZ430-2500 Texas Instruments Hình 3.21 eZ430-2500T thông thường Modul eZ430-2500T thông thƣờng ƣợc cấp nguồn từ pin 1,5V, thu thập nhệt ộ môi trƣờng giá trị iện p ni hính n ể gửi nút eZ430-2500 ƣợc cắm máy tính thơng qua cổng USB Bằng cách sử dụng modul SEH-01 ể cấp nguồn cho eZ430-2500T, Texas Instruments thành ông việc ƣ r nút cảm biến chạy hoàn toàn lƣợng mặt trời Hình 3.22 SEH-01 cung cấp điện nuôi eZ430-2500T Với SEH-01 kết hợp với eZ430-2500T, Tex s Instruments ƣ r thông số sau:  Hoạt ộng khơng cần ến pin ngồi  Có thể hoạt ộng iều kiện nh s ng môi trƣờng xung quanh thấp  B n m thể truyển d liệu 400 lần  Có khả thí h ứng với mạng RF cảm biến  Có thể sử dụng dạng Energy Harvesting khác thay ho lƣợng mặt trời Kết hoạt ộng SEH-01 với eZ430-2500T ƣợc Texas Instruments thực nghiệm Trong mạng bao gồm nút cảm biến En Devi e, n t hoạt ộng nhờ pin cung cấp (Nút màu xanh) nút hoạt ộng nhờ lƣợng mặt trời (Nút màu vàng) Thông số nhiệt ộ iện áp cung cấp nút ƣợc gửi n t Sink màu ỏ) Hình 3.23 Test SEH-01 với eZ430-2500 Nhƣ ta thấy với phần cứng tiêu thụ iện thấp ũng nhƣ phần mềm nhúng tối ƣu, hoàn toàn h ng t thể sản xuất chế tạo r ƣợc nút cảm biến không dây chạ ộc lập mà không cần qu n tâm ến việc phải thay pin hay cấp nguồn nuôi cho nút n a cách sử dụng Energ H rvesting ể chuyển ổi dạng lƣợng sẵn có tự nhi n thành iện ể nuôi nút cảm biến KẾT LUẬN Nhƣ thấ , ể mạng cảm biến không dây hoạt ộng ổn ịnh lâu dài vấn ề tiết kiệm lƣợng vấn ề ƣợc nhà sản xuất ũng nhƣ lập trình quan tâm xử lý Có nhiều biện pháp khắc phục vấn ề ti u h o lƣợng nút cảm biến phần cứng phần mềm nhƣ giảm công suất tiêu thụ tối IC, cảm biến hay linh kiện nút, nghiên cứu phát triển thuật toán ịnh tuyến ũng nhƣ hoạt ộng, gần â nghiên cứu áp dụng Energy H rvesting ể cung cấp nguồn nuôi cho nút cảm biến không dây Tuy số hạn chế nhƣ ng iện ầu thấp, hay thiết bị Energy Harvesting có kích thƣớc lớn, nhƣng tƣơng l i Energ H rvesting trở thành nguồn cung cấp cho nút cảm biến không dây Khi kết hợp với phần mềm iều khiển hiệu quả, chế tạo sản xuất nút cảm biến tự hoạt ộng ộc lập mà không cần quan tâm ến nguồn nuôi Hƣớng phát triển củ ề tài nghiên cứu xây dựng thuật toán tiết kiệm lƣợng dành cho mạng cảm biến không dây Arduino kết hợp với chế tạo mạch cung cấp lƣợng cho nút cảm biến thông qua thu thập s ng iện từ khơng khí chuyển ổi thành iện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Chiến Thắng – Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP – NXB KHKT 2012 [2] Jean-Philippe Vasseur, Adam Dunkels - Interconnecting Smart Objects with IP: The Next Internet [3] Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting/ [4] Google - https://www.google.com.vn/ [5] Cymbet Corporation - http://www.cymbet.com/ [6] Texas Instruments - http://www.ti.com/ NHẬN XÉT CỦA GIÁO IÊN HƢỚNG DẪN Ngà tháng năm 2013 Gi o vi n hƣớng dẫn ... TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG ENERY HAVESTING 3.1 Sơ lược Energy Harvesting Energy Harvesting hay gọi Power Harvesting hay Energy Scavenging trình chuyển ổi dạng lƣợng ƣ thừa từ nguồn n... Vì việc energy havesting đời giải vấn đề lượng cho thiết bị cảm biến không dây lượng thấp 3.2 Áp dụng Energy Harvesting vào mạng cảm biến không dây Arduino Z1 3.2.1 Mụ í sử dụng Energy Harvesting. .. thống sử dụng lượng thu thập từ RF * Các hệ thống Energy Harvesting thực tế phát triển dành cho mạng cảm biến khơng dây Hình 3.9 Hệ thống Energy Harvesting phát triển dành cho WSNs Hiện có dạng